软开关技术课件

1、第第8 8章章 软开关技术软开关技术 引言引言 8.1 8.1 软开关的基本概念软开关的基本概念 8.2 8.2 软开关电路的分类软开关电路的分类 8.3 8.3 典型的软开关电路典型的软开关电路现代电力电子装置的发展趋势现代电力电子装置的发展趋势小型化和轻量化小型化和轻量化 对效率和电磁兼容性也有更高的要求。对效率和电磁兼容性也有更高的要求。高频化高频化 滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子装置小型化和轻量化。装置小型化和轻量化。 开关损耗增加，电磁干扰增大。开关损耗增加，电磁干扰增大。l软开关技术软开关技术 降低开关损耗和开关噪声。降低开关损耗和开关

2、噪声。 进一步提高开关频率。进一步提高开关频率。 8.1 8.1 软开关的基本概念软开关的基本概念 8.1.1 8.1.1 硬开关和软开关硬开关和软开关 8.1.2 8.1.2 零电压开关和零电流开关零电压开关和零电流开关8.1.1 8.1.1 硬开关和软开关硬开关和软开关l 硬开关：硬开关： 开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠。开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠。 电压、电流变化很快，波形出现明显得过冲，导电压、电流变化很快，波形出现明显得过冲，导致开关噪声。致开关噪声。图图8 81 1 硬开关的开关过程硬开关的开关过程t t0 0a a）硬开关的开通过程）硬开关的开通过程b b

3、）硬开关的关断过程）硬开关的关断过程u ui iP P0 0u ui it tu uu ui ii iP P0 00 0l软开关：软开关： 在原电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开在原电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，消除电压、电流的重叠。关过程前后引入谐振，消除电压、电流的重叠。 降低开关损耗和开关噪声。降低开关损耗和开关噪声。u ui iP P0 0u ui it tt t0 0u ui iP P0 0u ui it tt t0 0a a）软开关的开通过程）软开关的开通过程b b）软开关的关断过程）软开关的关断过程图图8 82 2 软开关的开关过程软开关的开关

4、过程8.1.2 8.1.2 零电压开关和零电流开关零电压开关和零电流开关 零电压开通零电压开通 开关开通前其两端电压为零开关开通前其两端电压为零开通时不会产生损耗和噪声。开通时不会产生损耗和噪声。 零电流关断零电流关断 开关关断前其电流为零开关关断前其电流为零关断时不会产生损耗和噪声。关断时不会产生损耗和噪声。 零电压关断零电压关断 与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而降低关断损耗。降低关断损耗。 零电流开通零电流开通 与开关串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速率，降低与开关串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速率，降低了开

5、通损耗。了开通损耗。8.2 8.2 软开关电路的分类软开关电路的分类l根据开关元件开通和关断时电压电流状态，根据开关元件开通和关断时电压电流状态，分为零电压电路和零电流电路两大类。分为零电压电路和零电流电路两大类。l根据软开关技术发展的历程可以将软开关根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关电路分成准谐振电路、零开关PWMPWM电路和电路和零转换零转换PWMPWM电路。电路。8.2 8.2 软开关电路的分类软开关电路的分类 1 1）准谐振电路）准谐振电路准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，因准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，因此称之为准谐振。是最早出现的软开关电

6、路。此称之为准谐振。是最早出现的软开关电路。l 特点特点： 谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高； 谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率的谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率的交换，电路导通损耗加大；交换，电路导通损耗加大；谐振周期随输入电压、负载变化而改变，因此电路谐振周期随输入电压、负载变化而改变，因此电路只能采用脉冲频率调制只能采用脉冲频率调制（Pulse Frequency Pulse Frequency ModulationPFMModulationPFM）方式来控制。方式来控制。分别介绍三类软开关电路分别介绍三类软开关电路 2

7、2）零开关）零开关PWMPWM电路电路 引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后。振仅发生于开关过程前后。l 特点特点： 电压和电流基本上是方波，只是上升沿和下降电压和电流基本上是方波，只是上升沿和下降沿较缓，开关承受的电压明显降低。沿较缓，开关承受的电压明显降低。电路可用开关频率固定的电路可用开关频率固定的PWMPWM控制方式。控制方式。3 3）零转换）零转换PWMPWM电路电路 采用辅助开关控制谐振的开始时刻，但谐振电路采用辅助开关控制谐振的开始时刻，但谐振电路是与主开关并联的。是与主开关并联的。特点：特点： 电路在很宽的输入电

8、压范围内和从零负载到满电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都能工作在软开关状态。载都能工作在软开关状态。 电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。电路效率有了进一步提高。8.3 8.3 典型的软开关电路典型的软开关电路 8.3.1 8.3.1 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路 8.3.2 8.3.2 谐振直流环谐振直流环 8.3.3 8.3.3 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWMPWM电路电路 8.3.4 8.3.4 零电压转换零电压转换PWMPWM电路电路C Cr rT Tr rL LD DD D1 1

9、L Lr rT Tr r1 1C CO OR RO OI Is sV Vacac高功率因数校正软开关高功率因数校正软开关AC/DCAC/DC变换主电路变换主电路零电压转换零电压转换PWMPWM电路电路零电压转换零电压转换PWMPWM电路电路零电压转换零电压转换PWMPWM电路波形图电路波形图 零电压转换零电压转换PWMPWM电路一周期内各电路一周期内各 运行模式分析运行模式分析 系统的总技术指标系统的总技术指标 输入电压：单相交流输入电压：单相交流22022010%V10%V 输入频率：输入频率：50Hz/60Hz50Hz/60Hz 输出电压：输出电压：48V48V 输出电流：输出电流：20A

10、20A 电压调整率电压调整率2 2 ，纹波电压峰，纹波电压峰- -峰值小于峰值小于240mV240mV 效率大于效率大于90%90%，功率因数大于，功率因数大于98%98% 开关频率：开关频率：f=100kHzf=100kHz零电压转换零电压转换PWMPWM电路技术指标电路技术指标 单相交流单相交流:220:22010%V10%V 输入频率：输入频率：50/60Hz50/60Hz 输出电压：直流输出电压：直流380V380V 效率：大于效率：大于95%95% 功率因数：功率因数：PF99%PF99% 开关频率：开关频率：f=100kHzf=100kHz零电压转换零电压转换PWMPWM电路参数设

11、计电路参数设计根据普通升压型（根据普通升压型（ BoostBoost）变换器计算下列参数）变换器计算下列参数1.1.升压电感设计升压电感设计L L 计算出计算出L=470uHL=470uH2.2.输出电容输出电容CoCo 计算出计算出Co=2200uFCo=2200uF3.3.谐振电感设计谐振电感设计LrLr 计算出计算出Lr=8.3uHLr=8.3uH4.4.谐振电容谐振电容CrCr 计算出计算出Cr=479pFCr=479pF 为了验证零电压转换为了验证零电压转换PWMPWM电路元器件参数的正确性，电路元器件参数的正确性，在在PspicePspice软件中进行了仿真分析。下图所示为零电压软

12、件中进行了仿真分析。下图所示为零电压转换转换PWMPWM电路的电路的PspicePspice仿真模型图。仿真模型图。 根据前面的理论分析，最后的仿真及实验参数为：根据前面的理论分析，最后的仿真及实验参数为：输入电压输入电压VinVin为单相为单相220V220V，升压电感，升压电感L L为为470uH470uH，谐振电，谐振电感感LrLr为为8.3uH8.3uH，谐振电感，谐振电感CrCr为为479pF479pF，输出滤波电容，输出滤波电容CoCo为为2200uF2200uF，开关频率，开关频率f f为为100kHz100kHz。零电压转换零电压转换PWMPWM电路在电路在PspicePspi

13、ce中的中的仿真分析仿真分析零电压转换零电压转换PWMPWM电路电路PspicePspice仿真模型仿真模型 主开关管主开关管TrTr和辅助开关管和辅助开关管Tr1Tr1驱动波形图驱动波形图主开关管主开关管TrTr驱动波形、漏源电流波形驱动波形、漏源电流波形和电压波形图和电压波形图 输入交流电压和交流波形图输入交流电压和交流波形图 输出电压和输出电流波形图输出电压和输出电流波形图 移相全桥零电压开关移相全桥零电压开关PWMPWM电路理想工作波形图电路理想工作波形图移相全桥零电压开关电路设计移相全桥零电压开关电路设计技术指标技术指标 基本条件：电路形式：全桥移相基本条件：电路形式：全桥移相 变压

14、器工作频率：变压器工作频率：100kHz100kHz 变压器输入电压：变压器输入电压：380V380V 输出电压：直流输出电压：直流48V48V 输出电流：输出电流：20A20A 整流电路形式：中心抽头全波整流整流电路形式：中心抽头全波整流移相全桥零电压开关移相全桥零电压开关PWMPWM电路参数设计电路参数设计根据移相全桥零电压开关根据移相全桥零电压开关PWMPWM电路计算下列参数电路计算下列参数1.1.变压器原和副边匝数比变压器原和副边匝数比计算出计算出32:632:62.2.输出滤波电感设计输出滤波电感设计LfLf 计算出计算出Lf=18.4uHLf=18.4uH3.3.输出滤波电容输出滤波电容